图1为阳极氧化装置示意图^[5]。阳极氧化装置由连接于制冷器的双层玻璃容器、直流电源、阴极和阳极组成。制备时，在制冷器和容器内电磁搅拌器的作用下，使反应溶液达到电化学反应所需的恒温状态。实验中：基板采用商用的铝板（50 mm×100 mm×1 mm），经清洗、去除表面氧化层等工序后，与一块石墨板（50 mm×100 mm×3 mm）构成相对电极，一同浸入草酸溶液（0.3 mol/L，溶液温度为15℃）中。铝板和石墨板分别连接在直流电源的正极、负极，电源设置为恒压模式（电压设为40 V）。多孔阳极氧化铝制备时间间隔为1 h，实验中采用的制备时间为3−11 h。

本实验采用α-step500台阶仪测量多孔阳极氧化铝膜的厚度，采用电容计测试铝基板表面多孔阳极氧化铝薄膜的电容值；采用扫描电子显微镜测试多孔阳极氧化铝表面形貌，采用金相显微镜和划痕仪测试多孔阳极氧化铝薄膜的膜基结合力。搭建体放电结构的介质阻挡放电装置，应用高压、高频（约10−15 kHz）正弦交流电源，在大气压空气中进行介质阻挡放电，应用示波器和照相机测试和记录放电情况。

图2给出了多孔阳极氧化铝制备过程中所记录的电压和电流随时间的变化关系。在实验的最初阶段：电压较小，电流较大；随着时间的增加，由于铝表面形成的氧化层厚度增加而导致表面电阻增大，使电流迅速减小、电压迅速增加；大约100 s左右时电压达到稳定值（40 V），电流达到最小（约150 mA）；之后，电压保持不变，电流缓慢增加，最终在40 s左右电流达到稳定值（约205 mA）。

在实验最初的阶段：铝表面电阻小，在电源功率一定的情况下，电压较小、电流较大。随着铝表面氧化层厚度增大，电流迅速减小、电压迅速增加。当电阻值达到最大值时，电压达到最大（40 V），电流达到最小（约150 mA）。在此后阶段，铝表面产生了多孔结构，孔的底部厚度保持一定，铝表面氧化层的电阻值低于前一阶段，电流逐渐增加并最终达到稳定值。继续进行实验，电压和电流基本保持不变，铝表面形成底部厚度不变的情况下继续生成纳米级多孔结构。

图3给出了多孔阳极氧化铝薄膜的厚度与电容随制备时间的变化关系。制备时间为3−11 h，相应的多孔阳极氧化铝的厚度为3−10 μm，铝基板表面的多孔阳极氧化铝层的电容值自1100 pF降到300 pF。从图中可以看出，薄膜厚度随时间线性增加，薄膜的生长速率大约为1 μm/h。多孔阳极氧化铝薄膜的电容值随时间单调减小，因为薄膜的电容近似服从平行板电容器电容与厚度的关系（${{{C}}}=\mathrm{\varepsilon }\dfrac{S}{d}，$其中C是电容值，S是薄膜面积，d是薄膜厚度，ε是薄膜介电常数）。这种单调关系证明了多孔阳极氧化铝薄膜的材质的均匀性。

图4给出了多孔阳极氧化铝的扫描电子显微镜图片，图中(a)为多孔阳极氧化铝的平面视图；图中(b)为多孔阳极氧化铝的剖面视图。由图中可以看出：多孔氧化铝由分布均匀、纳米级、形状规则的多孔状结构构成。这种规则的形貌与图3的测量结果所说明的多孔阳极氧化铝的均匀性相对应。

图5和图6分别给出了多孔阳极氧化铝表面的划痕试验的金相显微镜图片和划痕实验曲线。划痕实验的终止载荷为30 N，加载速度为20 N/min，划痕长度为5 mm。结合图5和图6，根据划痕曲线可知: 多孔阳极氧化铝的膜基结合力大约为18 N。由此可知：利用阳极氧化方式在铝表面直接制备的多孔阳极氧化铝介质层，具有很好的膜基结合力。相对于一般介质阻挡放电中电极与介质层的直接接触方式，多孔阳极氧化铝与铝基板（可作为电极）的结合性能更好。多孔阳极氧化铝产生于铝基片表面，与铝基板具有很好的结合性，可以作为介质阻挡放电结构中的介质层。本文采用多孔阳极氧化铝层作为介质阻挡放电的介质层，进行大气压下介质阻挡放电的研究工作。

应用高压高频正弦交流电源对不同介质的介质阻挡放电装置进行大气压空气放电测试。介质分别采用石英、陶瓷和多孔阳极氧化铝（PAA）（厚度为0.6、0.6 和9.7 μm）。应用照相机和示波器（附分压器）记录放电过程的放电图像、放电波形，并记录放电击穿电压和稳定放电电压。缓慢增加放电电压，当极间出现放电细丝时的电压幅值记作放电击穿电压；继续增大放电电压，当放电均匀布满电极之间，此时的电压幅值记作稳定放电电压。

图7给出了应用不同介质材料的介质阻挡放电图像，图中（a）石英；（b）陶瓷；（c）多孔阳极氧化铝。ITO玻璃电极的厚度为2.0 mm，放电间距为1.1 mm。从图中可知：多孔阳极氧化铝介质放电过程均匀性最好，石英介质其次，陶瓷介质最差。

图8给出了应用不同材料介质的介质阻挡放电的放电波形图：(a)石英；(b)陶瓷；(c)多孔阳极氧化铝。从图中可知：波形中的电压和电流都包含一些随机脉冲，这与介质阻挡放电中的丝状放电相对应。从波形分析可知，在不同材料为介质的介质阻挡放电中，陶瓷介质具有最少的细丝、石英介质其次，多孔阳极氧化铝介质最多。更多的细丝增强了介质阻挡放电的均匀性。

介质层材料的性能是影响介质阻挡放电稳定性的重要因素。由于陶瓷介质通常通过烧制而成，相对于石英和阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝，陶瓷的均匀性最差，其放电效果和放电稳定性也最差。多孔极氧化铝是在介质中直接制备而成，具有更好的均匀性。由于多孔阳极氧化铝更薄，可以获得更宽的有效放电区域，在同样放电空间的情况下，放电电压明显更低。

图9给出了介质阻挡放电的电路连接图。介质阻挡放电由连接于高压高频电源的上电极、下电极和介质之间的介质层构成，介质层介电常数和厚度分别为：$ {\varepsilon _1} $、$ {\varepsilon _2} $、${l_{{\rm{d}}1}}$和${l_{{\rm{d}}2}}$。则有下式

图10给出了应用不同介质时的击穿电压和稳定电压的比较曲线图，实验中分别采用石英、陶瓷（厚度0.5 、0.6和1.1 mm）和多孔阳极氧化铝（厚度为2.9、5.2 和9.7 μm）作为介质阻挡放电介质，放电气体间隙为0.5、1.1、2.0和3.0 mm。

图10（a）给出了应用不同介质（石英、陶瓷或多孔阳极氧化铝）的介质阻挡放电中放电击穿电压与放电气体间隙的关系。从图中可以看出：随着放电气体间隙增大，击穿电压增加；在相同放电气体间隙时，应用陶瓷的介质阻挡放电低于石英介质的放电击穿电压，应用多孔阳极氧化铝作为介质的放电击穿电压最低。图10（b）给出了应用不同介质（石英、陶瓷或多孔阳极氧化铝）的介质阻挡放电中稳定放电电压与放电气体间隙的关系。稳定放电电压的变化趋势与图10（a）中的放电击穿电压相近。

不同介质（石英、陶瓷或多孔阳极氧化铝）对介质阻挡放电产生影响的主要原因在于其介电性能。本文中的多孔阳极氧化铝采用电化学方法制备，具有均匀性好和多孔结构。采用多孔阳极氧化铝作为介质的介质阻挡放电中，放电击穿和稳定放电电压明显下降。由式（3）分析可知：保持气体放电间隙不变时，随着介质层厚度的增加，上下电极间距显著增加，放电击穿电压显著增加；应用多孔阳极氧化铝膜的放电中，膜厚变化对于放电电极的极间距有影响，当多孔阳极氧化铝膜更厚时，放电击穿电压和稳定放电电压更小，放电也更稳定。

本文采用阳极氧化方式，应用草酸溶液在铝板表面制备一层多孔阳极氧化铝，以多孔阳极氧化铝作为介质进行大气压介质阻挡放电实验。运用扫描电子显微镜、划痕仪、金相显微镜、电容测试仪和台阶仪等测量多孔阳极氧化铝的表面形貌、厚度、膜基结合力和电容等特性。对比石英和陶瓷介质，测试分析了多孔阳极氧化铝为介质的大气压介质阻挡放电的放电特性。实验证明，多孔阳极氧化铝具有规则的纳米级表面形貌、更好的膜基结合力和稳定的物理性质，与基板电极有良好的接触；相对于石英、陶瓷，多孔阳极氧化铝为介质的介质阻挡放电中会产生更多的丝状放电，放电击穿电压更低、放电更稳定。更厚的多孔阳极氧化铝薄膜为介质的大气压介质阻挡放电具有更好的放电稳定性。